マイクロチャネル熱交換器の製造方法
【課題】 亀裂や割れ等のダメージの発生を抑制できる、流路が磁気冷凍材料により形成されたマイクロチャネル熱交換器の製造方法を提案する。
【解決手段】 中央に円柱形状の空隙を有するカーボン製のダイ２１の空隙部分に円柱形状のカーボン製の台座２３を配置し、台座２３に設けた溝にスペーサ１１を差し込んで取り付け、ＬａＦｅ13系磁気冷凍材料粉末２５を充填した。ダイ２１の空隙の上下端部に、カーボン製のパンチ３３を配置し、スペーサ１１、台座２３、および材料粉末２５をダイ２１とパンチ３３とによって固定した後、放電プラズマ焼結装置にセットして、上下のパンチ３３を介して加圧および通電加熱を行い一体焼結した。その後、焼結体からスペーサ１１を引き抜いて除去し、流路を形成した。
【解決手段】 中央に円柱形状の空隙を有するカーボン製のダイ２１の空隙部分に円柱形状のカーボン製の台座２３を配置し、台座２３に設けた溝にスペーサ１１を差し込んで取り付け、ＬａＦｅ13系磁気冷凍材料粉末２５を充填した。ダイ２１の空隙の上下端部に、カーボン製のパンチ３３を配置し、スペーサ１１、台座２３、および材料粉末２５をダイ２１とパンチ３３とによって固定した後、放電プラズマ焼結装置にセットして、上下のパンチ３３を介して加圧および通電加熱を行い一体焼結した。その後、焼結体からスペーサ１１を引き抜いて除去し、流路を形成した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気冷凍材料を用いたマイクロチャネル熱交換器の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
環境配慮型の冷凍技術として、クリーンでエネルギー効率の高い磁気冷凍に対する期待が高まっている。磁気冷凍材料としてＬａ（Ｆｅ，Ｓｉ）13系材料が高い磁気熱量効果を発現し、且つこの材料に水素を含有させることで高い磁気熱量効果を室温で発現することが知られている（特許文献１）。あるいは水素の代わりにＣｏを含有させて室温動作させる方法も提案されている（特許文献２）。
【０００３】
特許文献２には、磁気冷凍材料の形状については、球形あるいは楕円体が望ましく、粒径は０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下が好ましく、０．４ｍｍ以上１．５ｍｍ以下であることがより好ましい、と記載されている。図１２（Ａ）に球状の磁気冷凍材料を円筒管に充填した状態の概略断面図を示す。符号１００は球状磁気冷凍材料、符号１１０は円筒管である。
【０００４】
冷媒と磁気冷凍材料との熱交換の観点からは磁気冷凍材料の比表面積が最も大きくなる球状が好ましい。しかしながら、球状の磁気冷凍材料を用いた場合にはポンプ動力すなわち圧力損失が高くなってしまう。さらに、容器に球状の磁気冷凍材料を充填した場合に個々の磁気冷凍材料粒子が完全に固定されず、一部の粒子は冷媒によって移動するために隣接する粒子との衝突によって破壊し微細粉を発生してしまう。
【０００５】
そこで、磁気冷凍材料の面に接した貫通スリットを形成し、このスリットに冷媒を流すことで磁気冷凍材料と冷媒間での熱交換を行うマイクロチャネル構造が提案されている（非特許文献１）。図１２（Ｂ）に非特許文献１の模式断面図およびマイクロチャネルの斜視図を示す。本構造とすることで、低圧力損失と高熱交換性能の両立が可能となる。
【０００６】
所望の熱交換性能を得るためにはマイクロチャネルのスリット幅および磁気冷凍材料厚さ共に数ｍｍ程度以下（好ましくは、１ｍｍ程度以下）とする必要がある。一方、非特許文献１ではマイクロチャネルのスリット幅を０．１５ｍｍ程度としており、磁気冷凍材料（ＧａＳｉＧｅ）の厚さを５ｍｍとしている。Ｓｉ基板をエッチングして０．１５ｍｍ深さの溝を形成し、この溝を形成した面に対向させて５ｍｍ厚の磁気冷凍材料の板を接合することでマイクロチャネルを形成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−９６５４７号公報
【特許文献２】特開２００８−１５０６９５号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】NASA Supported Hydrogen Research 2005 @University of Florida講演会チャート（http://www.mae.ufl.edu/NasaHydrogenResearch/presentations/Review%20Meeting%20-%20Other%20Projects.pdf）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、非特許文献１の構造ではマイクロチャネル構造の一部が磁気冷凍材料ではないＳｉで形成されることになり、磁気熱量効果を十分に引き出すことができない。またＳｉと磁気冷凍材料とで熱膨張係数が異なるために温度変動によって界面に応力が発生し、最悪の場合界面で剥離する虞がある。
【００１０】
非特許文献１において磁気冷凍材料そのものでマイクロチャネルを形成しなかった理由は磁気冷凍材料がＳｉ基板のように単結晶ではないために結晶の異方性を利用したエッチング加工ができず、さらに磁気冷凍材料が機械的に脆いために放電加工など一般的な深溝機械加工では前述のマイクロチャネル構造を形成することが困難であるためである。
【００１１】
一方、塊状の磁気冷凍材料に、例えば幅が０．５ｍｍ以下で高さ５ｍｍ程度、奥行きが２０ｍｍ程度の貫通スリットを形成するには、レーザー加工や放電加工等が考えられるが、いずれの加工方法も加工時間が長く、加工面の面粗度の悪化や亀裂・割れ等のダメージの発生が課題となる。
【００１２】
本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、亀裂や割れ等のダメージの発生を抑制できる、流路が磁気冷凍材料により形成されたマイクロチャネル熱交換器の製造方法を提案することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述した問題を解決するためになされた請求項１に記載の発明は、磁気冷凍材料の内部に流路を形成してなるマイクロチャネル熱交換器の製造方法であり、磁気冷凍材料の粉末中に流路形成用のスペーサを１つ以上配置した状態で粉末を焼結する焼結工程と、焼結工程にて得られた焼結体からスペーサを除去することで流路を形成する除去工程と、を有する。そして上述したスペーサは、その熱膨張係数が上記磁気冷凍材料の熱膨張係数以上であって、且つ融点が焼結工程における焼結温度よりも高いことを特徴とする。
【００１４】
このような製造方法であれば、焼結体からスペーサを除去することで焼結時にスペーサが存在していた位置に流路が形成されるため、レーザー加工や放電加工等を行う必要がなく、それらの加工によるクラック・割れ等のダメージなく流路を形成することができる。また、磁気冷凍材料内に流路（マイクロチャネル）が形成されるため、流路は磁気冷凍材料によって囲まれることになり、磁気熱量効果を十分に引き出して高い熱交換性能を発揮することができる。なお、本発明におけるマイクロチャネルとは流路の幅が数ｍｍ以下、特に０．５ｍｍ以下のものを意味する。
【００１５】
スペーサを焼結体から除去する方法としては、焼結体からの引き抜きや、スペーサを所定の溶媒により溶解することなどが考えられる。焼結工程において、スペーサをその一部が磁気冷凍材料の粉末中から外部に突出するように配置して焼結を行い、スペーサの一部が外部に突出した焼結体を形成することで、スペーサの引き抜きや溶解等を容易に行うことができる。また引き抜きを行う場合には、スペーサの一部を焼結体から突出させて、その突出部分を引き抜き手段に固定して、引き抜くことで焼結体とスペーサとを容易に分離することができる。
【００１６】
もちろん、焼結工程において、スペーサが焼結体に囲まれるような焼結体を形成してもよく、その場合には焼結体を研磨することなどによりスペーサの端部を露出させればよい。
【００１７】
なお引き抜きによりスペーサを除去する場合には、焼結工程において、スペーサとして、スペーサ表面における少なくとも上記粉末と接触する部分に窒化ホウ素を主成分とする離型材料が塗布されているものを用いてもよい。
【００１８】
このような製造方法であれば、スペーサの引き抜きをスムーズに行うことができ、引き抜き時に焼結体に加わる負荷を低減して焼結体の破損を抑制できる。
形成される流路はスペーサの形状によって定まる。スペーサの形状は特に限定されないが、スペーサとして板状あるいは線状の形状の部材を用いてもよい。
【００１９】
また、スペーサとして板状の部材を２つ以上用い、かつ主たる面が互いに平行となるようにスペーサを配置してもよい。このようにスペーサを配置することで、磁気冷凍材料内に流路を効率よく形成することができる。特にマイクロチャネルは流路が狭く流量を大きくすることが難しいため、磁気冷凍材料における流路の割合を高めることができ都合がよい。
【００２０】
また、スペーサとして板状あるいは線状の形状の部材を用いて、放電プラズマ焼結により焼結する場合には、スペーサの厚さ方向が放電プラズマ焼結における電流経路の方向に対して略直交となるように配置してもよい。このようにスペーサを配置することで、スペーサによって電流経路を遮断してしまうことを抑制でき、焼結体（磁気冷凍材料粉末）全体を均一に加熱することができる。
【００２１】
磁気冷凍材料としては、ＮａＺｎ13結晶構造を主相とするＬａＦｅ13系材料を用いることができる。この材料は高い磁気熱量効果を示すものであるため、高い熱交換性能が期待できる。
【００２２】
また上記磁気冷凍材料を用いる場合には、スペーサの材料として、ＳＵＳ３０４、炭素鋼、ＬａＦｅ13系磁気冷凍材料のうちのいずれかを用いてもよい。ＬａＦｅ13系磁気冷凍材料の熱膨張係数が８．９４×１０-6／Ｋであることから、これと同じか、これよりも大きい熱膨張係数のスペーサを用いることで、焼結工程が終了して焼結体が冷却されたときにスペーサが周囲の焼結体以上に収縮するためスペーサの引き抜き操作が容易になり、スペーサ引き抜き時に焼結体が破損してしまうことを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】スペーサを示す斜視図（Ａ），（Ｂ）
【図２】焼結型に材料を充填した状態を示す側面断面図
【図３】台座へのスペーサの取り付け操作を説明する斜視図（Ａ）、および取り付け後の断面図（Ｂ）
【図４】焼結工程後の磁気冷凍材料焼結体の側面断面図（Ａ）、および研磨後の焼結体の側面断面図（Ｂ）
【図５】焼結体への保護板の取り付け操作を説明する斜視図（Ａ）、および取り付け後の斜視図（Ｂ）
【図６】スペーサの引き抜き操作を説明する断面図（Ａ），（Ｂ）
【図７】磁気冷凍材料マイクロチャネル熱交換器の斜視図（Ａ），（Ｂ）
【図８】マイクロチャネル熱交換器をケースに収納した状態を示す断面図（Ａ）、およびＡ−Ａ断面図（Ｂ），（Ｃ）
【図９】スペーサガイドを示す平面図（Ａ），（Ｃ）および側面図（Ｂ），（Ｄ）
【図１０】焼結型にスペーサを配置した状態を示す斜視図
【図１１】スペーサへのガイド部材の取り付け操作を説明する斜視図
【図１２】従来技術による小粒子状磁気冷凍材料を収納した熱交換器断面図（Ａ）、従来技術によるマイクロチャネルの概略斜視図（Ｂ）
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に本発明の実施例を図面と共に説明する。なお図面は理解を容易にする目的で、同一の対象物であっても図面ごとに大きさの比率やスリットの数などが一致しない場合がある。また本発明は、以下の実施例に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態をとり得ることはいうまでもない。
【００２５】
［実施例１］
本実施例では、ＮａＺｎ13結晶構造を主相とするＬａＦｅ13系磁気冷凍材料の内部に流路（マイクロチャネル）を形成してなるマイクロチャネル熱交換器を製造する。マイクロチャネルは、磁気冷凍材料の粉末中に流路形成用のスペーサを配置して一体焼結し、その後スペーサを抜き取ることによって形成する。詳細を以下に説明する。
【００２６】
１．スペーサの選定
スペーサを示す模式的な斜視図を図１（Ａ）に示す。スペーサ１１は５０μｍ厚のＳＵＳ３０４シートを略矩形となるようにカットしてなるものであって、本実施例では４枚用いる。
【００２７】
なお、スペーサ１１としてはＳＵＳ３０４以外の材料も用いることができる。スペーサの材料候補一覧を表１に示す。高融点材料で且つ熱膨張係数がＬａＦｅ13系磁気冷凍材料と同じあるいはそれよりも大きい材料としてＳＵＳ３０４、炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）、ＬａＦｅ13系材料が有望となる。本実施例では熱膨張係数が最も大きいＳＵＳ３０４を選択した。
【００２８】
【表１】
【００２９】
２．離型材料の塗布
次に、所定形状にカットした板状のスペーサ１１にＢＮスプレー（オーテック社製BNリリーズ）によりコーティングし、乾燥させることにより、窒化ホウ素を主成分とする離型材料１３をスペーサ１１の表面全体に塗布した。
【００３０】
３．焼結工程
本実施例では、放電プラズマ焼結（ＳＰＳ）により焼結を行う。図２に焼結型に材料を充填した状態を示す。中央に円柱形状の空隙を有するカーボン製のダイ２１の空隙部分に円柱形状のカーボン製の台座２３を配置し、台座２３に設けた溝２７に、ＢＮコートした（離型材料１３を塗布した）スペーサ１１を差し込んで取り付けた。その後、ＬａＦｅ13系磁気冷凍材料粉末２５（２５μｍアンダー）を充填した。スペーサ１１は、台座２３の溝２７に挿入されている部分が材料粉末２５中から外部へ突出することとなる。
【００３１】
スペーサ１１の取り付け作業について、図３（Ａ），（Ｂ）を用いてさらに説明する。図３（Ａ）に示すように、台座２３の中央部には幅１５０μｍの溝２７がピッチ４００μｍで複数本（本実施例では４本）形成されており、この溝２７部分にＢＮコートしたスペーサ１１を挿入した。
【００３２】
複数の溝２７は互いに平行に形成されており、スペーサ１１同士はその主たる面が略平行となる。なお溝２７の幅は、スペーサ１１の厚さに離型材料１３の厚さが加わることを考慮してスペーサ１１よりも十分に大きく形成されている。
【００３３】
また、焼結の際に台座２３と磁気冷凍材料の焼結体との固着を防止する目的で、スペーサ１１が通過する孔３１が形成されたカーボンシート２９が台座２３の表面、即ち材料粉末２５と接触する面に配置される。
【００３４】
なお、スペーサ１１は台座２３の溝２７の底まで差し込まずに、溝底から浮かせて固定した。これは焼結の際に材料粉末２５（焼結体）の収縮によりスペーサ１１が押し下げられて台座２３の溝２７と当たることでスペーサ１１が変形してしまうことを抑制するためである。
【００３５】
溝底から浮かせて固定する方法としては、例えば溝２７の底に、上方に伸びる弾性を有するワイヤ状の支持具を設け、当該ワイヤでスペーサ１１を支持することが考えられるが、もちろんその他の方法であってもよい。
【００３６】
説明を図２に戻る。ダイ２１の空隙の上下端部に、少なくとも空隙側の先端が円柱形状であるカーボン製のパンチ３３を配置し、スペーサ１１、台座２３、および材料粉末２５をダイ２１とパンチ３３とによって固定した後、図示しない放電プラズマ焼結装置にセットして、上下のパンチ３３を介して加圧および通電加熱を行い一体焼結した。
【００３７】
焼結条件は温度９５０℃、加重２．５ｋＮ、焼結時間１０分とした。電流経路は上下方向（上下のパンチ３３が並ぶ方向）であり、スペーサ１１は、その主たる面がＳＰＳによる電流経路に対して平行となるように、換言するとスペーサ１１の厚さ方向が電流経路の方向と略直交するように配置されている。
【００３８】
４．除去工程
焼結工程においてスペーサ１１と一体焼結された磁気冷凍材料の焼結体３５の側面断面図を図４（Ａ）に示す。スペーサ１１は、台座２３の溝２７に挿入されていた部分が焼結体３５から突出している。またカーボンシート２９は焼結後に取り外されている。この焼結体３５を、図４（Ｂ）に示すように、焼結体３５におけるスペーサ１１が突出する面と反対の面３７を研磨面としてスペーサ１１の端部が出現するまで研磨した。
【００３９】
次に、図５（Ａ）、（Ｂ）に示すように、焼結体３５におけるスペーサ１１の突出した側の面３９に、スペーサ１１が通過可能な孔４３が形成された金属性の保護板４１を配置し、熱軟化性ワックスにより焼結体３５と接着した。
【００４０】
次に、図６（Ａ）に示すように、焼結体３５を押さえジグ５１にセットすると共に、焼結体３５から突出したスペーサ１１とスペーサ抜き取りピン５３とを接着剤により固定した。本図における焼結体３５は図４（Ｂ）の焼結体３５を側面方向（図４（Ｂ）における矢印方向）から見た図である。そして、図６（Ｂ）に示すように、スペーサ抜き取りピン５３を下方に引き抜くことでスペーサ１１と焼結体３５とを分離した。このようにして焼結体３５からスペーサ１１を除去した。
【００４１】
なお、スペーサ抜き取りピン５３が本発明の引き抜き手段に対応する。
焼結体３５における面３９側はスペーサ１１が突出している間は研磨機による研磨ができないため、表面に凹凸が形成されていてもそれを除去することが困難である。上述した保護板４１を配置しない場合、スペーサ１１の引き抜き時において、表面に凹凸が形成された状態で押さえジグ５１の面と焼結体３５が局所的に接すると、応力によって焼結体３５が破損する危険性がある。
【００４２】
しかしながら、スリット（孔４３）を設けた金属製の保護板４１を配置することによって、焼結体３５表面の凹凸を緩和して応力集中を抑制することができ、破損の危険を低減してスペーサ１１を抜き取ることができる。
【００４３】
以上の工程により、図７（Ａ）に示すような磁気冷凍材料からなるマイクロチャネル熱交換器１を製造した。マイクロチャネル熱交換器１は円柱形状であって、奥行き方向に貫通したマイクロチャネル３がスペーサ１１の挿入されていた位置に形成される。
【００４４】
なお、スペーサ１１引き抜き後の空隙幅、即ちマイクロチャネル３の幅は、ほぼ１００μｍとなった。焼結工程前のスペーサ１１の厚みが５０μｍであったのに対して増加しているが、これは、焼結時における上下方向（スペーサ１１の主たる面が拡がる方向）への加重および加熱によって、スペーサ１１がその板厚が増大するように変形したためである。したがってスペーサ１１を板厚の変形量の分だけ予め薄い寸法とすることで、形成されるマイクロチャネル３の幅を所望の寸法とすることができる。
【００４５】
図８（Ａ），（Ｂ）は、図７（Ａ）に示したマイクロチャネル熱交換器１を、冷媒を流すためのケース５に収納した状態の概略断面図である。ケース５の両端に設けられたポートより冷媒を充填し、磁気冷凍材料の磁気熱量効果による発熱・吸熱と同期させて冷媒を移動させることで熱交換を行うことができる。
【００４６】
（効果）
本実施例の製造方法では、焼結体３５からスペーサ１１を除去することで焼結時にスペーサ１１が存在していた位置に流路（マイクロチャネル３）が形成されるため、レーザー加工や放電加工等を行う必要がなく、それらの加工によって発生するクラック・割れ等のダメージなく流路を形成することができる。
【００４７】
本実施例において製造されたマイクロチャネル熱交換器１は、マイクロチャネル３を囲む全ての領域において磁気冷凍材料が存在しているために、非特許文献１のようにマイクロチャネル構造の一部が磁気冷凍材料ではないＳｉで形成された構成と比較して効率の良い熱交換を実現できる。また、焼結によって磁気冷凍材料同士が接合しているために、熱交換時の温度変化による熱膨張係数差が生じることが無く、信頼性の高い（破損が生じ難い）熱交換器を提供できる。さらに、磁気冷凍材料が一体化しているために冷媒の移動に伴う磁気冷凍材料の移動も無いので、磁気冷凍材料として粒子を用いた場合の粒子同士が衝突することによる微細粉の発生も抑制される。
【００４８】
また、スペーサ１１は、その主たる面がＳＰＳによる電流経路に対して平行となるように、即ち電流経路とスペーサ３の厚さ方向とが直交するように配置されているため、スペーサ１１によって電流経路を遮断してしまうことを抑制でき、焼結体（磁気冷凍材料粉末）全体を均一に加熱することができる。なおスペーサとして線状形状のものを用いた場合にも、その長手方向と電流経路とを平行にすること、即ちスペーサの厚さ方向（径方向）と電流経路とを直交させることによって、上記効果を得ることができる。
【００４９】
また、スペーサ１１に離型材料１３を塗布することによって、焼結工程後に焼結体３５からスペーサ１１を引き抜く操作をスムーズに行うことができ、引き抜き時に焼結体３５に加わる負荷を低減して焼結体３５の破損を抑制できる。
【００５０】
また、スペーサ１１の材料として、ＬａＦｅ13系磁気冷凍材料の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有するＳＵＳ３０４のスペーサを用いているため、焼結工程が終了して焼結体３５が冷却されたときにスペーサ１１が周囲の焼結体３５以上に収縮する結果スペーサ１１の引き抜き操作が容易になり、引き抜き時に焼結体３５が破損してしまうことを抑制できる。
【００５１】
（変形例）
本実施例では、円柱形状のマイクロチャネル熱交換器１を製造したが、それ以外の形状であってもよい。例えば、ダイ２１の空隙を角柱形状とし、台座２３およびパンチ３３もそれに合わせて角柱形状とすることで、図７（Ｂ）に示すような角柱形状のマイクロチャネル熱交換器７を製造することも可能である。その際には、図８（Ｃ）に示すように冷媒を流すためのケース９を角柱形状にするとよい。
【００５２】
また、離型材料１３はスペーサ１１の全面に塗布する構成を例示したが、スペーサ１１表面の少なくとも焼結時に磁気冷凍材料と接触する部分に塗布されていれば、その効果を得ることができる。もちろん、スペーサ１１の引き抜き操作のスムーズさは劣る可能性があるものの、離型材料１３がスペーサ１１に塗布されていなくともよい。
【００５３】
また、離型材料１３をスペーサ１１の表面に塗布するために、ＢＮコーティングをスプレー塗布により実施する構成を例示したが、離型効果を有するＢＮ膜をスパッタ、蒸着、ＣＶＤ等の成膜手段によって形成しても良い。
【００５４】
また、上記実施例においては、放電プラズマ焼結（ＳＰＳ）装置を用いて一体焼結する構成を例示したが、ホットプレスにより焼結しても良い。
また、焼結工程においては、スペーサ１１の一方の端部が焼結体３５から突出するように焼結を行う構成を例示したが、スペーサの両端が焼結体から突出するように構成してもよい。また、スペーサ全体が焼結体に囲まれるように焼結体を形成してもよい。その場合には焼結体を研磨することなどによりスペーサの端部を露出させた後にスペーサを除去すればよい。
【００５５】
また、上記実施例においては、スペーサ１１として板状の部材を用いる構成を例示したが、それ以外の形状であってもよい。例えば線状形状のものをスペーサとして用いることができる。スペーサの材料も、用いる磁気冷凍材料の熱膨張係数以上であって、且つ融点が焼結工程における焼結温度よりも高いものであれば、ＳＵＳ３０４に限らず様々な材料から選択することができる。
【００５６】
また、磁気冷凍材料粉末中に配置するスペーサの数は上記実施例の数に限定されることなく、１つ以上配置していればその数はいくつであってもよい。
［実施例２］
本実施例では、実施例１と同じ素材の磁気冷凍材料粉末およびスペーサを用い、スペーサを保持する治具を実施例１の台座２３から図９（Ａ），（Ｂ）に示すスペーサガイド６１、および図９（Ｃ），（Ｄ）に示すスペーサガイド６３に変更してマイクロチャネル熱交換器を製造する。
【００５７】
図９（Ａ）はスペーサガイド６１の平面図であり、図９（Ｂ）はスペーサガイド６１を矢印方向から見た側面図である。スペーサガイド６１は、円柱をその軸方向（以降、軸方向とはこの方向を指す。）に沿って半分に切断した半円柱であって、さらにその切断面において軸方向に延びる矩形の溝６５が形成されてなる形状となっている。また別の言い方をすると、円柱の断面中央部を軸方向に矩形状にくり貫いて半割した形状となっている。
【００５８】
溝６５の底には、複数のガイド溝６７が軸方向に沿って形成されている。このガイド溝６７は、スペーサが挿入可能な幅（１５０μｍ）であり、ピッチは４００μｍ、深さは０．５ｍｍとして形成されている。
【００５９】
図９（Ｃ）はスペーサガイド６３の平面図であり、図９（Ｄ）はスペーサガイド６３を矢印方向から見た側面図である。スペーサガイド６３は、スペーサガイド６１と同様に、円柱をその軸方向に沿って半分に切断した半円柱であり、さらに矩形の溝６９が形成されている。また溝６９の底には、複数のガイド溝７１が軸方向に沿って形成されている。
【００６０】
ガイド溝７１はスペーサが挿入可能な幅に形成されている。ガイド溝７１の幅およびピッチはガイド溝６７と同様であるが、深さは２ｍｍでありガイド溝６７よりも深く形成されている。
【００６１】
次に、マイクロチャネル熱交換器の製造方法について説明する。スペーサの選定と離型材料の塗布までは実施例１と同様である。
１．焼結工程
図１０に示すように、下部パンチ７５の上にスペーサガイド６１，６３を溝６５，６９同士が向かい合うようにして組み合わせて配置した。これによってスペーサガイド６１，６３の間に略角柱形状の空間領域が形成された。そしてスペーサ１１を上部からガイド溝６７，７１に沿って挿入し、所定の位置（高さ）で固定した。
【００６２】
その後、磁気冷凍材料粉末（図示しない）をスペーサガイド６１，６３の間に形成された空間領域の上部から充填し、その空間領域を塞ぐように上部パンチ７７を配置して、ＳＰＳ装置内に装填し焼結を実施した。
【００６３】
２．除去工程
焼結工程後、スペーサガイド６１，６３を分離し、磁気冷凍材料の焼結体とスペーサとが一体となったものを取り出した。その後、実施例１の図６（Ａ），（Ｂ）で示したように、押さえジグ５１とスペーサ抜き取りピン５３を用いてスペーサと焼結体とを分離した。ガイド溝７１は深く形成されているため焼結体から飛び出すスペーサの長さが長くなり、スペーサ抜き取りピン５３とスペーサとの固定を容易に行うことができる。
【００６４】
以上の工程により、磁気冷凍材料からなるマイクロチャネル熱交換器を製造した。このマイクロチャネル熱交換器は全体として角柱形状となっている。
（効果）
本実施例の製造方法では、実施例１と同様にクラック・割れ等のダメージなく、磁気冷凍材料で囲まれた流路を形成することができる。
【００６５】
本実施例において製造されたマイクロチャネル熱交換器は、焼結工程においてスペーサ１１の両端をガイド溝６７，７１によって位置決めすることができるため、スペーサ材料の間隔が所定の値に制御でき、その結果、形成されるマイクロチャネルの間隔を所定の値に高度に制御することができる。
【００６６】
なお、上記実施例においては、スペーサガイド６１，６３の両方にガイド溝を設ける構成を例示しているが、いずれか一方のスペーサガイドにのみガイド溝が設けられる構成であっても、マイクロチャネルの間隔の精度は落ちるものの、実施例１と同様に信頼性の高いマイクロチャネル熱交換器を製造できる。
【００６７】
［実施例３］
本実施例では、基本的に実施例１と同様の方法でマイクロチャネル熱交換器を製造するが、焼結工程において一部異なる点があるためその部分のみを説明し、他の工程の説明は割愛する。
【００６８】
図１１に示すように、カーボン製の台座２３を配置し、台座２３に設けた溝に離型材料１３を塗布したスペーサ１１を差し込んだ後、ガイド部材８１をスペーサ１１の上端に配置した。このガイド部材８１は、台座２３に形成された複数の溝２７と対応するように複数の溝８３が形成されている。その後、磁気冷凍材料粉末を充填して焼結し、スペーサ１１およびガイド部材８１を除去してマイクロチャネル熱交換器を製造した。
【００６９】
本実施例において製造されたマイクロチャネル熱交換器は、実施例２にて製造されたマイクロチャネル熱交換器と同様に、スペーサ１１の両端を位置決めすることができるため、スペーサの間隔が所定の値に制御でき、その結果、形成されるマイクロチャネルの間隔を所定の値に制御することができる。
【符号の説明】
【００７０】
１…マイクロチャネル熱交換器、３…マイクロチャネル、５…ケース、７…マイクロチャネル熱交換器、９…ケース、１１…スペーサ、１３…離型材料、２１…ダイ、２３…台座、２５…磁気冷凍材料粉末、２７…溝、２９…カーボンシート、３１…孔、３３…パンチ、３５…焼結体、３７…面、３９…面、４１…保護板、４３…孔、５１…押さえジグ、５３…スペーサ抜き取りピン、６１…スペーサガイド、６３…スペーサガイド、６５…溝、６７…ガイド溝、６９…溝、７１…ガイド溝、７５…下部パンチ、７７…上部パンチ、８１…ガイド部材、８３…溝
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気冷凍材料を用いたマイクロチャネル熱交換器の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
環境配慮型の冷凍技術として、クリーンでエネルギー効率の高い磁気冷凍に対する期待が高まっている。磁気冷凍材料としてＬａ（Ｆｅ，Ｓｉ）13系材料が高い磁気熱量効果を発現し、且つこの材料に水素を含有させることで高い磁気熱量効果を室温で発現することが知られている（特許文献１）。あるいは水素の代わりにＣｏを含有させて室温動作させる方法も提案されている（特許文献２）。
【０００３】
特許文献２には、磁気冷凍材料の形状については、球形あるいは楕円体が望ましく、粒径は０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下が好ましく、０．４ｍｍ以上１．５ｍｍ以下であることがより好ましい、と記載されている。図１２（Ａ）に球状の磁気冷凍材料を円筒管に充填した状態の概略断面図を示す。符号１００は球状磁気冷凍材料、符号１１０は円筒管である。
【０００４】
冷媒と磁気冷凍材料との熱交換の観点からは磁気冷凍材料の比表面積が最も大きくなる球状が好ましい。しかしながら、球状の磁気冷凍材料を用いた場合にはポンプ動力すなわち圧力損失が高くなってしまう。さらに、容器に球状の磁気冷凍材料を充填した場合に個々の磁気冷凍材料粒子が完全に固定されず、一部の粒子は冷媒によって移動するために隣接する粒子との衝突によって破壊し微細粉を発生してしまう。
【０００５】
そこで、磁気冷凍材料の面に接した貫通スリットを形成し、このスリットに冷媒を流すことで磁気冷凍材料と冷媒間での熱交換を行うマイクロチャネル構造が提案されている（非特許文献１）。図１２（Ｂ）に非特許文献１の模式断面図およびマイクロチャネルの斜視図を示す。本構造とすることで、低圧力損失と高熱交換性能の両立が可能となる。
【０００６】
所望の熱交換性能を得るためにはマイクロチャネルのスリット幅および磁気冷凍材料厚さ共に数ｍｍ程度以下（好ましくは、１ｍｍ程度以下）とする必要がある。一方、非特許文献１ではマイクロチャネルのスリット幅を０．１５ｍｍ程度としており、磁気冷凍材料（ＧａＳｉＧｅ）の厚さを５ｍｍとしている。Ｓｉ基板をエッチングして０．１５ｍｍ深さの溝を形成し、この溝を形成した面に対向させて５ｍｍ厚の磁気冷凍材料の板を接合することでマイクロチャネルを形成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−９６５４７号公報
【特許文献２】特開２００８−１５０６９５号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】NASA Supported Hydrogen Research 2005 @University of Florida講演会チャート（http://www.mae.ufl.edu/NasaHydrogenResearch/presentations/Review%20Meeting%20-%20Other%20Projects.pdf）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、非特許文献１の構造ではマイクロチャネル構造の一部が磁気冷凍材料ではないＳｉで形成されることになり、磁気熱量効果を十分に引き出すことができない。またＳｉと磁気冷凍材料とで熱膨張係数が異なるために温度変動によって界面に応力が発生し、最悪の場合界面で剥離する虞がある。
【００１０】
非特許文献１において磁気冷凍材料そのものでマイクロチャネルを形成しなかった理由は磁気冷凍材料がＳｉ基板のように単結晶ではないために結晶の異方性を利用したエッチング加工ができず、さらに磁気冷凍材料が機械的に脆いために放電加工など一般的な深溝機械加工では前述のマイクロチャネル構造を形成することが困難であるためである。
【００１１】
一方、塊状の磁気冷凍材料に、例えば幅が０．５ｍｍ以下で高さ５ｍｍ程度、奥行きが２０ｍｍ程度の貫通スリットを形成するには、レーザー加工や放電加工等が考えられるが、いずれの加工方法も加工時間が長く、加工面の面粗度の悪化や亀裂・割れ等のダメージの発生が課題となる。
【００１２】
本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、亀裂や割れ等のダメージの発生を抑制できる、流路が磁気冷凍材料により形成されたマイクロチャネル熱交換器の製造方法を提案することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述した問題を解決するためになされた請求項１に記載の発明は、磁気冷凍材料の内部に流路を形成してなるマイクロチャネル熱交換器の製造方法であり、磁気冷凍材料の粉末中に流路形成用のスペーサを１つ以上配置した状態で粉末を焼結する焼結工程と、焼結工程にて得られた焼結体からスペーサを除去することで流路を形成する除去工程と、を有する。そして上述したスペーサは、その熱膨張係数が上記磁気冷凍材料の熱膨張係数以上であって、且つ融点が焼結工程における焼結温度よりも高いことを特徴とする。
【００１４】
このような製造方法であれば、焼結体からスペーサを除去することで焼結時にスペーサが存在していた位置に流路が形成されるため、レーザー加工や放電加工等を行う必要がなく、それらの加工によるクラック・割れ等のダメージなく流路を形成することができる。また、磁気冷凍材料内に流路（マイクロチャネル）が形成されるため、流路は磁気冷凍材料によって囲まれることになり、磁気熱量効果を十分に引き出して高い熱交換性能を発揮することができる。なお、本発明におけるマイクロチャネルとは流路の幅が数ｍｍ以下、特に０．５ｍｍ以下のものを意味する。
【００１５】
スペーサを焼結体から除去する方法としては、焼結体からの引き抜きや、スペーサを所定の溶媒により溶解することなどが考えられる。焼結工程において、スペーサをその一部が磁気冷凍材料の粉末中から外部に突出するように配置して焼結を行い、スペーサの一部が外部に突出した焼結体を形成することで、スペーサの引き抜きや溶解等を容易に行うことができる。また引き抜きを行う場合には、スペーサの一部を焼結体から突出させて、その突出部分を引き抜き手段に固定して、引き抜くことで焼結体とスペーサとを容易に分離することができる。
【００１６】
もちろん、焼結工程において、スペーサが焼結体に囲まれるような焼結体を形成してもよく、その場合には焼結体を研磨することなどによりスペーサの端部を露出させればよい。
【００１７】
なお引き抜きによりスペーサを除去する場合には、焼結工程において、スペーサとして、スペーサ表面における少なくとも上記粉末と接触する部分に窒化ホウ素を主成分とする離型材料が塗布されているものを用いてもよい。
【００１８】
このような製造方法であれば、スペーサの引き抜きをスムーズに行うことができ、引き抜き時に焼結体に加わる負荷を低減して焼結体の破損を抑制できる。
形成される流路はスペーサの形状によって定まる。スペーサの形状は特に限定されないが、スペーサとして板状あるいは線状の形状の部材を用いてもよい。
【００１９】
また、スペーサとして板状の部材を２つ以上用い、かつ主たる面が互いに平行となるようにスペーサを配置してもよい。このようにスペーサを配置することで、磁気冷凍材料内に流路を効率よく形成することができる。特にマイクロチャネルは流路が狭く流量を大きくすることが難しいため、磁気冷凍材料における流路の割合を高めることができ都合がよい。
【００２０】
また、スペーサとして板状あるいは線状の形状の部材を用いて、放電プラズマ焼結により焼結する場合には、スペーサの厚さ方向が放電プラズマ焼結における電流経路の方向に対して略直交となるように配置してもよい。このようにスペーサを配置することで、スペーサによって電流経路を遮断してしまうことを抑制でき、焼結体（磁気冷凍材料粉末）全体を均一に加熱することができる。
【００２１】
磁気冷凍材料としては、ＮａＺｎ13結晶構造を主相とするＬａＦｅ13系材料を用いることができる。この材料は高い磁気熱量効果を示すものであるため、高い熱交換性能が期待できる。
【００２２】
また上記磁気冷凍材料を用いる場合には、スペーサの材料として、ＳＵＳ３０４、炭素鋼、ＬａＦｅ13系磁気冷凍材料のうちのいずれかを用いてもよい。ＬａＦｅ13系磁気冷凍材料の熱膨張係数が８．９４×１０-6／Ｋであることから、これと同じか、これよりも大きい熱膨張係数のスペーサを用いることで、焼結工程が終了して焼結体が冷却されたときにスペーサが周囲の焼結体以上に収縮するためスペーサの引き抜き操作が容易になり、スペーサ引き抜き時に焼結体が破損してしまうことを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】スペーサを示す斜視図（Ａ），（Ｂ）
【図２】焼結型に材料を充填した状態を示す側面断面図
【図３】台座へのスペーサの取り付け操作を説明する斜視図（Ａ）、および取り付け後の断面図（Ｂ）
【図４】焼結工程後の磁気冷凍材料焼結体の側面断面図（Ａ）、および研磨後の焼結体の側面断面図（Ｂ）
【図５】焼結体への保護板の取り付け操作を説明する斜視図（Ａ）、および取り付け後の斜視図（Ｂ）
【図６】スペーサの引き抜き操作を説明する断面図（Ａ），（Ｂ）
【図７】磁気冷凍材料マイクロチャネル熱交換器の斜視図（Ａ），（Ｂ）
【図８】マイクロチャネル熱交換器をケースに収納した状態を示す断面図（Ａ）、およびＡ−Ａ断面図（Ｂ），（Ｃ）
【図９】スペーサガイドを示す平面図（Ａ），（Ｃ）および側面図（Ｂ），（Ｄ）
【図１０】焼結型にスペーサを配置した状態を示す斜視図
【図１１】スペーサへのガイド部材の取り付け操作を説明する斜視図
【図１２】従来技術による小粒子状磁気冷凍材料を収納した熱交換器断面図（Ａ）、従来技術によるマイクロチャネルの概略斜視図（Ｂ）
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に本発明の実施例を図面と共に説明する。なお図面は理解を容易にする目的で、同一の対象物であっても図面ごとに大きさの比率やスリットの数などが一致しない場合がある。また本発明は、以下の実施例に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態をとり得ることはいうまでもない。
【００２５】
［実施例１］
本実施例では、ＮａＺｎ13結晶構造を主相とするＬａＦｅ13系磁気冷凍材料の内部に流路（マイクロチャネル）を形成してなるマイクロチャネル熱交換器を製造する。マイクロチャネルは、磁気冷凍材料の粉末中に流路形成用のスペーサを配置して一体焼結し、その後スペーサを抜き取ることによって形成する。詳細を以下に説明する。
【００２６】
１．スペーサの選定
スペーサを示す模式的な斜視図を図１（Ａ）に示す。スペーサ１１は５０μｍ厚のＳＵＳ３０４シートを略矩形となるようにカットしてなるものであって、本実施例では４枚用いる。
【００２７】
なお、スペーサ１１としてはＳＵＳ３０４以外の材料も用いることができる。スペーサの材料候補一覧を表１に示す。高融点材料で且つ熱膨張係数がＬａＦｅ13系磁気冷凍材料と同じあるいはそれよりも大きい材料としてＳＵＳ３０４、炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）、ＬａＦｅ13系材料が有望となる。本実施例では熱膨張係数が最も大きいＳＵＳ３０４を選択した。
【００２８】
【表１】
【００２９】
２．離型材料の塗布
次に、所定形状にカットした板状のスペーサ１１にＢＮスプレー（オーテック社製BNリリーズ）によりコーティングし、乾燥させることにより、窒化ホウ素を主成分とする離型材料１３をスペーサ１１の表面全体に塗布した。
【００３０】
３．焼結工程
本実施例では、放電プラズマ焼結（ＳＰＳ）により焼結を行う。図２に焼結型に材料を充填した状態を示す。中央に円柱形状の空隙を有するカーボン製のダイ２１の空隙部分に円柱形状のカーボン製の台座２３を配置し、台座２３に設けた溝２７に、ＢＮコートした（離型材料１３を塗布した）スペーサ１１を差し込んで取り付けた。その後、ＬａＦｅ13系磁気冷凍材料粉末２５（２５μｍアンダー）を充填した。スペーサ１１は、台座２３の溝２７に挿入されている部分が材料粉末２５中から外部へ突出することとなる。
【００３１】
スペーサ１１の取り付け作業について、図３（Ａ），（Ｂ）を用いてさらに説明する。図３（Ａ）に示すように、台座２３の中央部には幅１５０μｍの溝２７がピッチ４００μｍで複数本（本実施例では４本）形成されており、この溝２７部分にＢＮコートしたスペーサ１１を挿入した。
【００３２】
複数の溝２７は互いに平行に形成されており、スペーサ１１同士はその主たる面が略平行となる。なお溝２７の幅は、スペーサ１１の厚さに離型材料１３の厚さが加わることを考慮してスペーサ１１よりも十分に大きく形成されている。
【００３３】
また、焼結の際に台座２３と磁気冷凍材料の焼結体との固着を防止する目的で、スペーサ１１が通過する孔３１が形成されたカーボンシート２９が台座２３の表面、即ち材料粉末２５と接触する面に配置される。
【００３４】
なお、スペーサ１１は台座２３の溝２７の底まで差し込まずに、溝底から浮かせて固定した。これは焼結の際に材料粉末２５（焼結体）の収縮によりスペーサ１１が押し下げられて台座２３の溝２７と当たることでスペーサ１１が変形してしまうことを抑制するためである。
【００３５】
溝底から浮かせて固定する方法としては、例えば溝２７の底に、上方に伸びる弾性を有するワイヤ状の支持具を設け、当該ワイヤでスペーサ１１を支持することが考えられるが、もちろんその他の方法であってもよい。
【００３６】
説明を図２に戻る。ダイ２１の空隙の上下端部に、少なくとも空隙側の先端が円柱形状であるカーボン製のパンチ３３を配置し、スペーサ１１、台座２３、および材料粉末２５をダイ２１とパンチ３３とによって固定した後、図示しない放電プラズマ焼結装置にセットして、上下のパンチ３３を介して加圧および通電加熱を行い一体焼結した。
【００３７】
焼結条件は温度９５０℃、加重２．５ｋＮ、焼結時間１０分とした。電流経路は上下方向（上下のパンチ３３が並ぶ方向）であり、スペーサ１１は、その主たる面がＳＰＳによる電流経路に対して平行となるように、換言するとスペーサ１１の厚さ方向が電流経路の方向と略直交するように配置されている。
【００３８】
４．除去工程
焼結工程においてスペーサ１１と一体焼結された磁気冷凍材料の焼結体３５の側面断面図を図４（Ａ）に示す。スペーサ１１は、台座２３の溝２７に挿入されていた部分が焼結体３５から突出している。またカーボンシート２９は焼結後に取り外されている。この焼結体３５を、図４（Ｂ）に示すように、焼結体３５におけるスペーサ１１が突出する面と反対の面３７を研磨面としてスペーサ１１の端部が出現するまで研磨した。
【００３９】
次に、図５（Ａ）、（Ｂ）に示すように、焼結体３５におけるスペーサ１１の突出した側の面３９に、スペーサ１１が通過可能な孔４３が形成された金属性の保護板４１を配置し、熱軟化性ワックスにより焼結体３５と接着した。
【００４０】
次に、図６（Ａ）に示すように、焼結体３５を押さえジグ５１にセットすると共に、焼結体３５から突出したスペーサ１１とスペーサ抜き取りピン５３とを接着剤により固定した。本図における焼結体３５は図４（Ｂ）の焼結体３５を側面方向（図４（Ｂ）における矢印方向）から見た図である。そして、図６（Ｂ）に示すように、スペーサ抜き取りピン５３を下方に引き抜くことでスペーサ１１と焼結体３５とを分離した。このようにして焼結体３５からスペーサ１１を除去した。
【００４１】
なお、スペーサ抜き取りピン５３が本発明の引き抜き手段に対応する。
焼結体３５における面３９側はスペーサ１１が突出している間は研磨機による研磨ができないため、表面に凹凸が形成されていてもそれを除去することが困難である。上述した保護板４１を配置しない場合、スペーサ１１の引き抜き時において、表面に凹凸が形成された状態で押さえジグ５１の面と焼結体３５が局所的に接すると、応力によって焼結体３５が破損する危険性がある。
【００４２】
しかしながら、スリット（孔４３）を設けた金属製の保護板４１を配置することによって、焼結体３５表面の凹凸を緩和して応力集中を抑制することができ、破損の危険を低減してスペーサ１１を抜き取ることができる。
【００４３】
以上の工程により、図７（Ａ）に示すような磁気冷凍材料からなるマイクロチャネル熱交換器１を製造した。マイクロチャネル熱交換器１は円柱形状であって、奥行き方向に貫通したマイクロチャネル３がスペーサ１１の挿入されていた位置に形成される。
【００４４】
なお、スペーサ１１引き抜き後の空隙幅、即ちマイクロチャネル３の幅は、ほぼ１００μｍとなった。焼結工程前のスペーサ１１の厚みが５０μｍであったのに対して増加しているが、これは、焼結時における上下方向（スペーサ１１の主たる面が拡がる方向）への加重および加熱によって、スペーサ１１がその板厚が増大するように変形したためである。したがってスペーサ１１を板厚の変形量の分だけ予め薄い寸法とすることで、形成されるマイクロチャネル３の幅を所望の寸法とすることができる。
【００４５】
図８（Ａ），（Ｂ）は、図７（Ａ）に示したマイクロチャネル熱交換器１を、冷媒を流すためのケース５に収納した状態の概略断面図である。ケース５の両端に設けられたポートより冷媒を充填し、磁気冷凍材料の磁気熱量効果による発熱・吸熱と同期させて冷媒を移動させることで熱交換を行うことができる。
【００４６】
（効果）
本実施例の製造方法では、焼結体３５からスペーサ１１を除去することで焼結時にスペーサ１１が存在していた位置に流路（マイクロチャネル３）が形成されるため、レーザー加工や放電加工等を行う必要がなく、それらの加工によって発生するクラック・割れ等のダメージなく流路を形成することができる。
【００４７】
本実施例において製造されたマイクロチャネル熱交換器１は、マイクロチャネル３を囲む全ての領域において磁気冷凍材料が存在しているために、非特許文献１のようにマイクロチャネル構造の一部が磁気冷凍材料ではないＳｉで形成された構成と比較して効率の良い熱交換を実現できる。また、焼結によって磁気冷凍材料同士が接合しているために、熱交換時の温度変化による熱膨張係数差が生じることが無く、信頼性の高い（破損が生じ難い）熱交換器を提供できる。さらに、磁気冷凍材料が一体化しているために冷媒の移動に伴う磁気冷凍材料の移動も無いので、磁気冷凍材料として粒子を用いた場合の粒子同士が衝突することによる微細粉の発生も抑制される。
【００４８】
また、スペーサ１１は、その主たる面がＳＰＳによる電流経路に対して平行となるように、即ち電流経路とスペーサ３の厚さ方向とが直交するように配置されているため、スペーサ１１によって電流経路を遮断してしまうことを抑制でき、焼結体（磁気冷凍材料粉末）全体を均一に加熱することができる。なおスペーサとして線状形状のものを用いた場合にも、その長手方向と電流経路とを平行にすること、即ちスペーサの厚さ方向（径方向）と電流経路とを直交させることによって、上記効果を得ることができる。
【００４９】
また、スペーサ１１に離型材料１３を塗布することによって、焼結工程後に焼結体３５からスペーサ１１を引き抜く操作をスムーズに行うことができ、引き抜き時に焼結体３５に加わる負荷を低減して焼結体３５の破損を抑制できる。
【００５０】
また、スペーサ１１の材料として、ＬａＦｅ13系磁気冷凍材料の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有するＳＵＳ３０４のスペーサを用いているため、焼結工程が終了して焼結体３５が冷却されたときにスペーサ１１が周囲の焼結体３５以上に収縮する結果スペーサ１１の引き抜き操作が容易になり、引き抜き時に焼結体３５が破損してしまうことを抑制できる。
【００５１】
（変形例）
本実施例では、円柱形状のマイクロチャネル熱交換器１を製造したが、それ以外の形状であってもよい。例えば、ダイ２１の空隙を角柱形状とし、台座２３およびパンチ３３もそれに合わせて角柱形状とすることで、図７（Ｂ）に示すような角柱形状のマイクロチャネル熱交換器７を製造することも可能である。その際には、図８（Ｃ）に示すように冷媒を流すためのケース９を角柱形状にするとよい。
【００５２】
また、離型材料１３はスペーサ１１の全面に塗布する構成を例示したが、スペーサ１１表面の少なくとも焼結時に磁気冷凍材料と接触する部分に塗布されていれば、その効果を得ることができる。もちろん、スペーサ１１の引き抜き操作のスムーズさは劣る可能性があるものの、離型材料１３がスペーサ１１に塗布されていなくともよい。
【００５３】
また、離型材料１３をスペーサ１１の表面に塗布するために、ＢＮコーティングをスプレー塗布により実施する構成を例示したが、離型効果を有するＢＮ膜をスパッタ、蒸着、ＣＶＤ等の成膜手段によって形成しても良い。
【００５４】
また、上記実施例においては、放電プラズマ焼結（ＳＰＳ）装置を用いて一体焼結する構成を例示したが、ホットプレスにより焼結しても良い。
また、焼結工程においては、スペーサ１１の一方の端部が焼結体３５から突出するように焼結を行う構成を例示したが、スペーサの両端が焼結体から突出するように構成してもよい。また、スペーサ全体が焼結体に囲まれるように焼結体を形成してもよい。その場合には焼結体を研磨することなどによりスペーサの端部を露出させた後にスペーサを除去すればよい。
【００５５】
また、上記実施例においては、スペーサ１１として板状の部材を用いる構成を例示したが、それ以外の形状であってもよい。例えば線状形状のものをスペーサとして用いることができる。スペーサの材料も、用いる磁気冷凍材料の熱膨張係数以上であって、且つ融点が焼結工程における焼結温度よりも高いものであれば、ＳＵＳ３０４に限らず様々な材料から選択することができる。
【００５６】
また、磁気冷凍材料粉末中に配置するスペーサの数は上記実施例の数に限定されることなく、１つ以上配置していればその数はいくつであってもよい。
［実施例２］
本実施例では、実施例１と同じ素材の磁気冷凍材料粉末およびスペーサを用い、スペーサを保持する治具を実施例１の台座２３から図９（Ａ），（Ｂ）に示すスペーサガイド６１、および図９（Ｃ），（Ｄ）に示すスペーサガイド６３に変更してマイクロチャネル熱交換器を製造する。
【００５７】
図９（Ａ）はスペーサガイド６１の平面図であり、図９（Ｂ）はスペーサガイド６１を矢印方向から見た側面図である。スペーサガイド６１は、円柱をその軸方向（以降、軸方向とはこの方向を指す。）に沿って半分に切断した半円柱であって、さらにその切断面において軸方向に延びる矩形の溝６５が形成されてなる形状となっている。また別の言い方をすると、円柱の断面中央部を軸方向に矩形状にくり貫いて半割した形状となっている。
【００５８】
溝６５の底には、複数のガイド溝６７が軸方向に沿って形成されている。このガイド溝６７は、スペーサが挿入可能な幅（１５０μｍ）であり、ピッチは４００μｍ、深さは０．５ｍｍとして形成されている。
【００５９】
図９（Ｃ）はスペーサガイド６３の平面図であり、図９（Ｄ）はスペーサガイド６３を矢印方向から見た側面図である。スペーサガイド６３は、スペーサガイド６１と同様に、円柱をその軸方向に沿って半分に切断した半円柱であり、さらに矩形の溝６９が形成されている。また溝６９の底には、複数のガイド溝７１が軸方向に沿って形成されている。
【００６０】
ガイド溝７１はスペーサが挿入可能な幅に形成されている。ガイド溝７１の幅およびピッチはガイド溝６７と同様であるが、深さは２ｍｍでありガイド溝６７よりも深く形成されている。
【００６１】
次に、マイクロチャネル熱交換器の製造方法について説明する。スペーサの選定と離型材料の塗布までは実施例１と同様である。
１．焼結工程
図１０に示すように、下部パンチ７５の上にスペーサガイド６１，６３を溝６５，６９同士が向かい合うようにして組み合わせて配置した。これによってスペーサガイド６１，６３の間に略角柱形状の空間領域が形成された。そしてスペーサ１１を上部からガイド溝６７，７１に沿って挿入し、所定の位置（高さ）で固定した。
【００６２】
その後、磁気冷凍材料粉末（図示しない）をスペーサガイド６１，６３の間に形成された空間領域の上部から充填し、その空間領域を塞ぐように上部パンチ７７を配置して、ＳＰＳ装置内に装填し焼結を実施した。
【００６３】
２．除去工程
焼結工程後、スペーサガイド６１，６３を分離し、磁気冷凍材料の焼結体とスペーサとが一体となったものを取り出した。その後、実施例１の図６（Ａ），（Ｂ）で示したように、押さえジグ５１とスペーサ抜き取りピン５３を用いてスペーサと焼結体とを分離した。ガイド溝７１は深く形成されているため焼結体から飛び出すスペーサの長さが長くなり、スペーサ抜き取りピン５３とスペーサとの固定を容易に行うことができる。
【００６４】
以上の工程により、磁気冷凍材料からなるマイクロチャネル熱交換器を製造した。このマイクロチャネル熱交換器は全体として角柱形状となっている。
（効果）
本実施例の製造方法では、実施例１と同様にクラック・割れ等のダメージなく、磁気冷凍材料で囲まれた流路を形成することができる。
【００６５】
本実施例において製造されたマイクロチャネル熱交換器は、焼結工程においてスペーサ１１の両端をガイド溝６７，７１によって位置決めすることができるため、スペーサ材料の間隔が所定の値に制御でき、その結果、形成されるマイクロチャネルの間隔を所定の値に高度に制御することができる。
【００６６】
なお、上記実施例においては、スペーサガイド６１，６３の両方にガイド溝を設ける構成を例示しているが、いずれか一方のスペーサガイドにのみガイド溝が設けられる構成であっても、マイクロチャネルの間隔の精度は落ちるものの、実施例１と同様に信頼性の高いマイクロチャネル熱交換器を製造できる。
【００６７】
［実施例３］
本実施例では、基本的に実施例１と同様の方法でマイクロチャネル熱交換器を製造するが、焼結工程において一部異なる点があるためその部分のみを説明し、他の工程の説明は割愛する。
【００６８】
図１１に示すように、カーボン製の台座２３を配置し、台座２３に設けた溝に離型材料１３を塗布したスペーサ１１を差し込んだ後、ガイド部材８１をスペーサ１１の上端に配置した。このガイド部材８１は、台座２３に形成された複数の溝２７と対応するように複数の溝８３が形成されている。その後、磁気冷凍材料粉末を充填して焼結し、スペーサ１１およびガイド部材８１を除去してマイクロチャネル熱交換器を製造した。
【００６９】
本実施例において製造されたマイクロチャネル熱交換器は、実施例２にて製造されたマイクロチャネル熱交換器と同様に、スペーサ１１の両端を位置決めすることができるため、スペーサの間隔が所定の値に制御でき、その結果、形成されるマイクロチャネルの間隔を所定の値に制御することができる。
【符号の説明】
【００７０】
１…マイクロチャネル熱交換器、３…マイクロチャネル、５…ケース、７…マイクロチャネル熱交換器、９…ケース、１１…スペーサ、１３…離型材料、２１…ダイ、２３…台座、２５…磁気冷凍材料粉末、２７…溝、２９…カーボンシート、３１…孔、３３…パンチ、３５…焼結体、３７…面、３９…面、４１…保護板、４３…孔、５１…押さえジグ、５３…スペーサ抜き取りピン、６１…スペーサガイド、６３…スペーサガイド、６５…溝、６７…ガイド溝、６９…溝、７１…ガイド溝、７５…下部パンチ、７７…上部パンチ、８１…ガイド部材、８３…溝
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気冷凍材料の内部に流路を形成してなるマイクロチャネル熱交換器の製造方法であって、
磁気冷凍材料の粉末中に流路形成用のスペーサを１つ以上配置した状態で前記粉末を焼結する焼結工程と、
前記焼結工程にて得られた焼結体から前記スペーサを除去することで流路を形成する除去工程と、を有し、
前記スペーサは、熱膨張係数が前記磁気冷凍材料の熱膨張係数以上であって、且つ融点が前記焼結工程における焼結温度よりも高い
ことを特徴とするマイクロチャネル熱交換器の製造方法。
【請求項２】
前記スペーサは、板状あるいは線状の部材である
ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロチャネル熱交換器の製造方法。
【請求項３】
前記スペーサは板状の部材であって、
前記焼結工程において、前記スペーサは、２つ以上配置され、かつ主たる面が互いに平行となるように配置される
ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロチャネル熱交換器の製造方法。
【請求項４】
前記焼結が放電プラズマ焼結であり、前記スペーサは、その厚さ方向が放電プラズマ焼結における電流経路の方向に対して略直交となるように配置されている
ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載のマイクロチャネル熱交換器の製造方法。
【請求項５】
前記焼結工程では、前記スペーサとして、前記スペーサの表面における少なくとも前記粉末と接触する部分に窒化ホウ素を主成分とする離型材料が塗布されているものを用いる
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のマイクロチャネル熱交換器の製造方法。
【請求項６】
前記磁気冷凍材料が、ＮａＺｎ13結晶構造を主相とするＬａＦｅ13系材料である
ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のマイクロチャネル熱交換器の製造方法。
【請求項７】
前記スペーサは、ＳＵＳ３０４、炭素鋼、ＬａＦｅ13系磁気冷凍材料のうちのいずれかである
ことを特徴とする請求項６に記載のマイクロチャネル熱交換器の製造方法。
【請求項８】
前記焼結工程は、前記スペーサをその一部が前記粉末中から外部に突出するように配置した状態で前記粉末を焼結し、前記一部が突出した焼結体を形成する工程であり、
前記除去工程は、前記焼結体から突出した前記一部を引き抜き手段に固定して引き抜くことで前記スペーサを除去する工程である
ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のマイクロチャネル熱交換器の製造方法。
【請求項１】
磁気冷凍材料の内部に流路を形成してなるマイクロチャネル熱交換器の製造方法であって、
磁気冷凍材料の粉末中に流路形成用のスペーサを１つ以上配置した状態で前記粉末を焼結する焼結工程と、
前記焼結工程にて得られた焼結体から前記スペーサを除去することで流路を形成する除去工程と、を有し、
前記スペーサは、熱膨張係数が前記磁気冷凍材料の熱膨張係数以上であって、且つ融点が前記焼結工程における焼結温度よりも高い
ことを特徴とするマイクロチャネル熱交換器の製造方法。
【請求項２】
前記スペーサは、板状あるいは線状の部材である
ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロチャネル熱交換器の製造方法。
【請求項３】
前記スペーサは板状の部材であって、
前記焼結工程において、前記スペーサは、２つ以上配置され、かつ主たる面が互いに平行となるように配置される
ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロチャネル熱交換器の製造方法。
【請求項４】
前記焼結が放電プラズマ焼結であり、前記スペーサは、その厚さ方向が放電プラズマ焼結における電流経路の方向に対して略直交となるように配置されている
ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載のマイクロチャネル熱交換器の製造方法。
【請求項５】
前記焼結工程では、前記スペーサとして、前記スペーサの表面における少なくとも前記粉末と接触する部分に窒化ホウ素を主成分とする離型材料が塗布されているものを用いる
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のマイクロチャネル熱交換器の製造方法。
【請求項６】
前記磁気冷凍材料が、ＮａＺｎ13結晶構造を主相とするＬａＦｅ13系材料である
ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のマイクロチャネル熱交換器の製造方法。
【請求項７】
前記スペーサは、ＳＵＳ３０４、炭素鋼、ＬａＦｅ13系磁気冷凍材料のうちのいずれかである
ことを特徴とする請求項６に記載のマイクロチャネル熱交換器の製造方法。
【請求項８】
前記焼結工程は、前記スペーサをその一部が前記粉末中から外部に突出するように配置した状態で前記粉末を焼結し、前記一部が突出した焼結体を形成する工程であり、
前記除去工程は、前記焼結体から突出した前記一部を引き抜き手段に固定して引き抜くことで前記スペーサを除去する工程である
ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のマイクロチャネル熱交換器の製造方法。
【図８】
【図９】
【図１２】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図１０】
【図１１】
【図９】
【図１２】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１３−５７４３４（Ｐ２０１３−５７４３４Ａ）
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９５２６０（Ｐ２０１１−１９５２６０）
【出願日】平成２３年９月７日（２０１１．９．７）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月７日（２０１１．９．７）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
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